تصنيف العناصر

تصنيف العناصر

Classification of the Elements

الأهداف

• تفسر سبب تشابه خواص عناصر المجموعة الواحدة.
• تحدد فئات الجدول الدوري الأربعة استنادًا إلى التوزيع الإلكتروني.

مراجعة المفردات

إلكترونات التكافؤ: الإلكترونات الموجودة في مستوى الطاقة الأخير للذرة، والتي تحدد الخواص الكيميائية لها.

الفكرة الرئيسية

رتبت العناصر في الجدول الدوري ضمن مجموعات ودورات حسب أعدادها الذرية.

الربط مع الحياة

إذا أردت توصيل رسالة إلى شخص ما فلا يكفي أن تعرف رقم بيته فقط، بل يجب أن تعرف عنوان البيت كاملًا: في أي شارع هو؟ وأي مدينة؟ وأي منطقة؟ وبالطريقة نفسها يتم تعرف العناصر من خلال توزيعها الإلكتروني.

---

ترتيب العناصر وفق التوزيع الإلكتروني

Organizing the Elements by Electron Configuration

يحدد التوزيع الإلكتروني الخواص الكيميائية للعنصر. وتمكنك معرفة التوزيع الإلكتروني وعدد إلكترونات التكافؤ من خلال موقع العنصر في الجدول الدوري الحديث. يوضح الجدول 2-3 التوزيع الإلكتروني لبعض عناصر المجموعة الأولى، حيث يوجد إلكترون واحد في مستوى الطاقة الأخير لكل عنصر فيها.

إلكترونات التكافؤ

يوجد لكل عنصر في المجموعة الأولى إلكترون واحد في مستوى طاقته الأخير. لذا تتشابه عناصر المجموعة الأولى في خواصها الكيميائية؛ لأنها تحتوي على العدد نفسه من إلكترونات التكافؤ. وتعد هذه الخاصية من أهم العلاقات في الكيمياء؛ فذرات المجموعة 1 لها إلكترون تكافؤ واحد، ولأنها عناصر الفئة s، فإن إلكتروناتها تنتهي في المستوى الفرعي s.

ولكل عنصر في المجموعة الأولى إلكترون تكافؤ واحد له التوزيع الإلكتروني s¹، ولكل عنصر في المجموعة الثانية اثنان من إلكترونات التكافؤ توزيعهما الإلكتروني s²، وللمجموعتين 1 و2 والمجموعات من 13 إلى 18 في الجدول الدوري توزيعها الخاص من إلكترونات التكافؤ.

الإلكترونات التكافؤ والدورة

يحدد رقم مستوى الطاقة الأخير الذي يحتوي إلكترونات التكافؤ رقم الدورة التي يوجد فيها العنصر في الجدول الدوري. فعلى سبيل المثال، يوجد إلكترون التكافؤ لعنصر الليثيوم في مستوى الطاقة الثاني، لذا يكون عنصر الليثيوم في الدورة الثانية. أما عنصر الجاليوم ذو التوزيع الإلكتروني:

[Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p¹

فإن إلكترونات تكافؤه تقع في مستوى الطاقة الرابع، لذا يكون عنصر الجاليوم في الدورة الرابعة.

الجدول 2-3

التوزيع الإلكتروني لعناصر المجموعة 1

اسم الصورة: صفحة58_الجدول_2_3_التوزيع_الإلكتروني_لعناصر_المجموعة_1.png

| الدورة | العنصر | التوزيع الإلكتروني الكامل | التوزيع المختصر |
| -------- | ------------ | ------------------------- | --------------- |
| الدورة 1 | الهيدروجين H | 1s¹ | 1s¹ |
| الدورة 2 | الليثيوم Li | 1s² 2s¹ | [He] 2s¹ |
| الدورة 3 | الصوديوم Na | 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ | [Ne] 3s¹ |
| الدورة 4 | البوتاسيوم K | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ | [Ar] 4s¹ |

---

الشكل 2-7

اسم الصورة: صفحة59_الشكل_2_7_التمثيل_النقطي_لإلكترونات_التكافؤ_للعناصر_الممثلة.png

يوضح الشكل التمثيل النقطي لإلكترونات التكافؤ لمعظم العناصر الممثلة.

سؤال الشكل

لاحظ كيف يتغير عدد إلكترونات التكافؤ من مجموعة إلى أخرى، وكيف يتغير ضمن المجموعة الواحدة؟

---

إلكترونات تكافؤ العناصر الممثلة

عدد إلكترونات تكافؤ عناصر المجموعة الأولى واحد، ولعناصر المجموعة الثانية اثنان، في حين أن لعناصر المجموعة 13 ثلاثة إلكترونات تكافؤ، وأما عناصر المجموعة 14 فلها أربعة إلكترونات تكافؤ، وهكذا.

أما عناصر الغازات النبيلة في المجموعة 18 ففي كل منها ثمانية إلكترونات، ما عدا الهيليوم الذي له إلكترونا تكافؤ فقط. يبين الشكل 2-7 كيف يساعد التمثيل النقطي للإلكترونات على الربط بين رقم المجموعة وعدد إلكترونات التكافؤ. لاحظ أن عدد إلكترونات تكافؤ عناصر المجموعات من 13 إلى 18 يساوي رقم الآحاد فيها.

---

عناصر الفئات s,p,d,f

Block Elements s,p,d,f

يتكون الجدول الدوري من أعمدة وصفوف ذات أحجام متفاوتة. ويعود السبب في عدم انتظام شكل الجدول الدوري إلى أنه قُسم إلى فئات تمثل مستويات الطاقة الثانوية للذرة، والتي تحتوي على إلكترونات التكافؤ. ولوجود أربعة مستويات طاقة ثانوية:

s, p, d, f

فقد تم تقسيم الجدول الدوري إلى أربع فئات مختلفة، كما في الشكل 2-8.

الشكل 2-8

اسم الصورة: صفحة59_الشكل_2_8_عناصر_الفئات_s_p_d_f.png

ينقسم الجدول الدوري إلى أربع فئات هي:

s, p, d, f

سؤال الشكل

حلل العلاقة بين الحد الأقصى لعدد الإلكترونات التي يمكن أن توجد في مستوى الطاقة الفرعي، وحجم الفئة في الشكل.

---

الجدول 2-4

التوزيع الإلكتروني للغازات النبيلة

اسم الصورة: صفحة60_الجدول_2_4_التوزيع_الإلكتروني_للغازات_النبيلة.png

| الدورة | مستوى الطاقة الرئيس | العنصر | التوزيع الإلكتروني |
| ------ | ------------------- | --------- | ------------------ |
| 1 | n = 1 | الهيليوم | 1s² |
| 2 | n = 2 | النيون | [He] 2s² 2p⁶ |
| 3 | n = 3 | الأرجون | [Ne] 3s² 3p⁶ |
| 4 | n = 4 | الكريبتون | [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ |

---

مفردات

الاستعمال العلمي

اسم الصورة: صفحة60_مفردات_الاستخدام_العلمي_كلمة_البنية.png

Structure: البنية

هي ما يتم عمله من عناصر أو أجزاء مترابطة بعضها ببعض.

مثال: اشترك عدد من العلماء في اكتشاف بنية الذرة.

---

عناصر الفئة s

تتكون عناصر الفئة s من عناصر المجموعتين الأولى والثانية وعنصر الهيليوم. حيث تحتوي عناصر المجموعة الأولى على مستويات s شبه ممتلئة بإلكترونات التكافؤ، وتوزيعها الإلكتروني s¹، في حين تحتوي عناصر المجموعة الثانية على مستويات s ممتلئة بإلكترونين من إلكترونات التكافؤ، وتوزيعها الإلكتروني s². ولأن مستوى s يتسع لإلكترونين على الأكثر، فإن فئة s تشتمل على مجموعتين فقط.

---

عناصر الفئة p

بعد امتلاء المستوى الثانوي s بإلكترونات التكافؤ تبدأ هذه الإلكترونات في تعبئة المستوى الثانوي p. وتشمل مجموعات العناصر 13-18 في الجدول الدوري، التي لها مستويات p الفرعية الممتلئة كليًا أو جزئيًا بإلكترونات التكافؤ.

ولا يوجد عنصر من فئة p في الدورة الأولى؛ لأن مستويات p الثانوية لا توجد في مستوى الطاقة الرئيس الأول n = 1. والبورون B هو العنصر الأول في فئة p، ويوجد في الدورة الثانية.

وتمتد فئة p على مدى ست مجموعات؛ إذ يتسع المستوى الفرعي p الذي يتكون من ثلاث مستويات فرعية إلى 6 إلكترونات على الأكثر. وتضم المجموعة 18، الغازات النبيلة، عناصر فريدة في فئة p؛ وذلك لأن ذرات عناصرها مستقرة لدرجة أنها تقريبًا لا تتفاعل كيميائيًا.

ويوضح الجدول 2-4 التوزيع الإلكتروني للغازات النبيلة الأربعة الأولى. إن مستويات الطاقة الفرعية s وp في مستويات الطاقة الخارجية لها ممتلئة تمامًا بالإلكترونات. وينتج عن هذا التوزيع الإلكتروني استقرار بنائها الذري.

---

الشكل 2-9

تاريخ الجدول الدوري

اسم الصورة: صفحة60_الشكل_2_9_تاريخ_الجدول_الدوري_الجزء_الأول.png

الجدول الدوري الحديث نتاج عمل عدة علماء على مدى قرون، والذين درسوا العناصر واكتشفوا التدرج في خواصها.

أحداث الخط الزمني في الشكل

| السنة | الحدث |
| ---------- | ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 1789م | صنف أنطوان لافوازييه المواد إلى قائمة العناصر المعروفة، وميز بين الفلزات واللافلزات. |
| 1828م | بدأ العلماء في اتخاذ الحروف رموزًا للعناصر الكيميائية. |
| 1869م | تعرف كل من لوثر ماير وديمتري مندليف، كل منهما على حدة، على تدرج الخواص للعناصر، واستنتجا أو توقعا خواص عناصر أخرى غير معروفة. |
| 1894-1900م | أضيفت الغازات النبيلة، ومنها الأرجون والهيليوم والكريبتون والنيون والزينون والرادون، مجموعة جديدة إلى الجدول الدوري. |
| 1913م | أخذ هنري موزلي العدد الذري أساسًا للهوية، وأثبت أن خواص العناصر تتغير بشكل دوري مع العدد الذري. |

---

عناصر الفئة d

تحتوي عناصر الفئة d على الفلزات الانتقالية، وهي أكبر الفئات. وعلى الرغم من وجود بعض الاستثناءات، إلا أن عناصر الفئة d تتميز بامتلاء كلي للمستوى الفرعي s من مستوى الطاقة الرئيس n، وبامتلاء جزئي أو كلي لمستويات d الفرعية من مستوى الطاقة n - 1.

وكلما تحركت عبر الدورة تقوم الإلكترونات بتعبئة المستوى d. فعلى سبيل المثال، السكانديوم Sc أول عناصر الفئة d، له التوزيع الإلكتروني:

[Ar] 4s² 3d¹

أما عنصر التيتانيوم، وهو العنصر الثاني في الجدول، فله التوزيع الإلكتروني:

[Ar] 4s² 3d²

لاحظ أن المستوى الخارجي s الممتلئ في عنصر التيتانيوم يكون في المستوى الرئيس n = 4، في حين أن المستوى d شبه الممتلئ يكون في المستوى الرئيس n = 3.

ينص مبدأ أوفباو aufbau على أن المستوى 4s له طاقة أقل من طاقة المستوى 3d، لذا فإن المستوى 4s يمتلئ قبل المستوى 3d. ولأن مستويات d الفرعية الخمسة تتسع لـ 10 إلكترونات، لذا فإن عناصر فئة d تمتد على مدى 10 مجموعات في الجدول الدوري.

---

عناصر الفئة f

تشتمل عناصر الفئة f على الفلزات الانتقالية الداخلية، وتتميز عناصرها بامتلاء مستوى s الخارجي، وامتلاء أو شبه امتلاء مستويات 4f أو 5f.

ولو وجدت 7 مستويات فرعية في المستوى الثانوي f، فإنه يتسع لـ 14 إلكترونًا بحد أقصى، وبذلك تمتد عناصر فئة f على مدى 14 عمودًا في الجدول الدوري.

لذا تحدد الفئات s وp وd وf شكل الجدول الدوري. وكلما انتقلت إلى أسفل في الجدول الدوري ازداد عدد مستويات الطاقة الرئيسة، كما يزداد عدد المستويات الفرعية التي تحتوي على الإلكترونات.

لاحظ أن الدورة رقم 1 تحتوي على عناصر الفئة s فقط، في حين تحتوي الدورتان الثانية والثالثة على عناصر من الفئتين s وp، أما الدورتان الرابعة والخامسة فتحتويان على عناصر من فئات s وp وd، كما تحتوي الدورتان السادسة والسابعة على عناصر من فئات s وp وd وf.

لقد استغرق تطوير الجدول الدوري سنين عديدة، وما زالت عملية التطوير جارية، حيث يتم تحضير العناصر بطريقة صناعية باستمرار. ارجع إلى الشكل 2-9 لمزيد من المعلومات عن تاريخ الجدول ومساهمات العديد من العلماء في تطويره.

ماذا قرأت؟

لخص كيف يمكن تعريف كل فئة من الجدول الدوري؟

---

مهن في الكيمياء

الباحث الكيميائي

اسم الصورة: صفحة61_مهن_في_الكيمياء_الباحث_الكيميائي.png

يتخصص بعض الكيميائيين النوويين في دراسة أحدث العناصر وأثقلها. ولإنتاج عناصر ثقيلة يعمل الكيميائي في المجال النووي مع فريق كبير يشمل فيزيائيين، ومهندسين، وفنيين.

تنتج العناصر الثقيلة بالتصادمات التي تتم في مسرعات الجسيمات. ويقوم الكيميائي النووي بتحليل نتائج هذه التصادمات لتعرف العناصر وفهم خواصها.

---

الشكل 2-9

تاريخ الجدول الدوري، الجزء الثاني

اسم الصورة: صفحة61_الشكل_2_9_تاريخ_الجدول_الدوري_الجزء_الثاني.png

| السنة | الحدث |
| ----- | ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 1940م | تم ضم العناصر المحضرة صناعيًا التي لها عدد ذري أكبر من 92 إلى فئة جديدة في الجدول تسمى الأكتينيدات. |
| 1969م | قام الباحثون في جامعة بيركلي بتحضير أول العناصر الصناعية الأثقل من الأكتينيدات، وفترة عمر النصف له 4.7 s، وسمي رذرفورديوم. |
| 1985م | تبنى الاتحاد الدولي لعلوم الكيمياء البحتة والتطبيقية الجدول الدوري الحالي المستخدم في أنحاء العالم. |
| 1999م | أعلن بعض الباحثين اكتشاف العنصر 114، وسمي أونونكواديوم، الذي أطلق عليه لاحقًا الفليروفيوم. ويعتقد العلماء أن هذا العنصر ربما يكون أول العناصر ذات الاستقرار النسبي ضمن العناصر المحضرة صناعيًا. |
| 2004م | أعلن علماء من روسيا عن اكتشاف العنصرين 113 و115. |

---

مثال 2-1

اسم الصورة: صفحة62_مثال_2_1_التوزيع_الإلكتروني_والجدول_الدوري.png

التوزيع الإلكتروني والجدول الدوري

عنصر الإسترانشيوم الذي يستخدم في إضفاء اللون الأحمر على الألعاب النارية، التوزيع الإلكتروني له:

[Kr] 5s²

حدد المجموعة والدورة والفئة التي ينتمي إليها عنصر الإسترانشيوم دون استخدام الجدول الدوري.

1. تحليل المسألة

لديك التوزيع الإلكتروني لعنصر الإسترانشيوم.

المعطيات

التوزيع الإلكتروني = [Kr] 5s²

المطلوب

المجموعة = ؟
الدورة = ؟
الفئة = ؟

2. حساب المطلوب

يشير عدد إلكترونات التكافؤ إلى رقم مجموعة العناصر الممثلة.

يشير s² إلى أن إلكترونات تكافؤ الإسترانشيوم تملأ المستوى الثانوي s، لذا يوجد عنصر الإسترانشيوم في الفئة s والمجموعة 2.

ويشير رقم 5 في 5s² إلى أن عنصر الإسترانشيوم يقع في الدورة 5.

3. تقويم الإجابة

تم تطبيق العلاقة بين التوزيع الإلكتروني وموقع العنصر في الجدول الدوري بطريقة صحيحة.

---

مسائل تدريبية

• حدد، دون الرجوع إلى الجدول الدوري، المجموعة والدورة والفئة التي تنتمي إليها ذرات العناصر ذات التوزيع الإلكتروني الآتي:

a. [Ne] 3s²
b. [He] 2s²
c. [Kr] 5s²
d. [Xe] 6s²

• بالرجوع إلى الجدول الدوري، ما الرمز الكيميائي للعناصر التي لها التوزيعات الآتية لإلكترونات تكافؤها:

a. s² d¹
b. s² p³
c. s² p⁶
d. s² d⁵

• تحفيز: اكتب التوزيع الإلكتروني لكل من العناصر الآتية:

a. عنصر في المجموعة 2 والدورة 4
b. عنصر في المجموعة 12 والدورة 4
c. غاز نبيل في الدورة 5
d. عنصر في المجموعة 16 والدورة 2

---

التقويم 2-2

الخلاصة

اسم الصورة: صفحة62_التقويم_2_2_الخلاصة_والأسئلة.png

الخلاصة

• يحتوي الجدول الدوري على 4 فئات هي: s, p, d, f.
• لعناصر المجموعة الواحدة خواص كيميائية متشابهة.
• عناصر المجموعتين 1 و2 يتطابق فيها عدد إلكترونات التكافؤ مع رقم المجموعة.
• يتطابق رقم مستوى الطاقة الأخير الذي توجد فيه إلكترونات التكافؤ مع رقم الدورة التي يقع فيها العنصر.

أسئلة التقويم 2-2

• الفكرة الرئيسية: فسر ما الذي يحدد فئات الجدول الدوري؟

• حدد فئة العناصر التي توزيع إلكترونات تكافؤها على النحو الآتي:

a. s² p⁴
b. s¹
c. s² d¹
d. s² p¹

• توقع عنصر الزينون غاز نبيل لا يتفاعل، ويستخدم في المصابيح الوميضية، وهو رديء التوصيل للحرارة والكهرباء. فهل تتوقع أن يكون عنصر الزينون من الفلزات أو اللافلزات أو أشباه الفلزات؟ وأين يقع هذا العنصر في الجدول الدوري؟ فسر إجابتك.

• فسر لماذا تكون عناصر المجموعة الواحدة متشابهة في خواصها الكيميائية؟

• نمذج: ارسم مخططًا بسيطًا للجدول الدوري، وبين فئات s وp وd وf.